Créer un ordinateur mécanique
En une phrase
Un ordinateur mécanique est une machine composée d’engrenages, de leviers et de cames qui effectue des calculs de manière automatique en utilisant uniquement la mécanique, sans électricité.
Comment ça marche
Qu’est-ce que c’est ?
Un ordinateur mécanique calcule en utilisant le mouvement de pièces mécaniques au lieu d’électrons dans des circuits. Les nombres sont représentés par la position de roues dentées (engrenages), et les opérations (addition, soustraction, multiplication) sont effectuées par des mécanismes d’horlogerie.
Il existe plusieurs types historiques :
- L’additionneuse : une machine à manivelle qui additionne et soustrait, comme la machine de Pascal (1642).
- Le différenceur : calcule des tables de fonctions mathématiques par différences, comme la machine de Babbage.
- L’analyseuse : un ordinateur mécanique complet, programmable, avec mémoire et unité de calcul, comme l’Analytical Engine de Babbage (jamais terminée de son vivant).
Le principe fondamental : un engrenage à 10 dents représente un chiffre (0 à 9). Quand l’engrenage tourne de 9 à 0, il fait avancer l’engrenage suivant de 1 dent : c’est la retenue.
Où le trouver / comment le fabriquer ?
Un ordinateur mécanique ne se trouve pas dans la nature. Il faut le fabriquer pièce par pièce. Les composants essentiels sont :
- Engrenages numériques : roues à 10 dents (décimales) ou à d’autres nombres de dents pour les ratios
- Axes et paliers : tiges en acier sur lesquelles les engrenages tournent
- Mécanisme de retenue : système qui propage la retenue d’un chiffre au suivant
- Cadre : structure en bois ou en métal qui maintient tout en place
- Crank ou manivelle : pour actionner le mécanisme
- Affichage : cadrans numérotés sur les engrenages pour lire les résultats
Comment l’utiliser ?
On entre les nombres en positionnant les engrenages à la bonne valeur (chaque chiffre sur son cadran), puis on tourne la manivelle. Le mécanisme effectue l’addition et les retenues automatiquement. On lit le résultat sur les cadrans.
Étapes détaillées
1. Concevoir l’architecture
Avant de fabriquer, il faut décider ce que la machine fera.
Modèle simple : additionneuse à 6 chiffres (le plus accessible comme premier projet)
- 6 colonnes de chiffres (unités, dizaines, centaines, milliers, dizaines de milliers, centaines de milliers)
- Chaque colonne a un engrenage à 10 dents avec un cadran numéroté de 0 à 9
- Un mécanisme de retenue propage le dépassement de 9 à 0 vers la colonne suivante
- Une manivelle fait avancer chaque colonne du nombre voulu
Dessiner le plan sur papier. Indiquer chaque pièce, chaque dimension, chaque interface.
2. Fabriquer les engrenages numériques
Chaque chiffre est représenté par un engrenage à 10 dents.
- Découper des disques en laiton ou en bronze de 3 à 5 centimètres de diamètre.
- Sur chaque disque, tailler 10 dents régulières. Les dents doivent être identiques en taille et en espacement. Utiliser une lime et un compteur de divisions pour espacer les dents régulièrement.
- Graver les chiffres 0 à 9 sur le bord du disque, à côté de chaque dent. Ou fixer un cadran en papier sur chaque disque.
- Percer un trou central pour l’axe.
Précision requise : les dents doivent engrener correctement avec le pignon de retenue. Un écart de 0,1 mm est acceptable. Plus de précision est mieux.
Voir Fabriquer des engrenages pour les techniques de taille des engrenages.
3. Fabriquer les axes et les paliers
- Chaque engrenage tourne sur un axe en acier de 3 à 4 millimètres de diamètre.
- Les axes sont montés dans des paliers (trous percés dans le cadre).
- Pour réduire les frottements, enduire les axes de graisse ou d’huile.
- Chaque axe est parallèle aux autres, avec un espacement exact pour que les engrenages s’engrènent correctement.
4. Construire le mécanisme de retenue
La retenue est le mécanisme qui ajoute 1 au chiffre suivant quand un chiffre passe de 9 à 0.
Méthode de la came et du cliquet :
- Sur chaque engrenage numérique, fixer une came (petite bosse) qui dépasse au niveau du chiffre 9.
- Un cliquet (petit levier à ressort) est placé entre chaque paire de colonnes.
- Quand l’engrenage des unités passe de 9 à 0, la came pousse le cliquet, qui fait avancer l’engrenage des dizaines d’une dent (retenue = 1).
- Le même mécanisme se propage aux centaines, milliers, etc.
Problème critique : la retenue en chaîne. Si 999 + 1 = 1000, trois retenues doivent se propager simultanément. C’est le plus grand défi mécanique.
Solution de Babbage : utiliser un mécanisme à “retenue différée” où la retenue est détectée pendant un tour et propagée au tour suivant.
5. Fabriquer le mécanisme d’entrée
Pour entrer un nombre, il faut pouvoir faire tourner chaque engrenage du nombre voulu de dents.
- Utiliser des manivelles individuelles ou un clavier.
- Manivelle unique : tourner la manivelle fait avancer toutes les colonnes en même temps. Les colonnes sont préréglées à la valeur du nombre à additionner.
- Touches ou molettes : chaque colonne a une molette qu’on tourne au chiffre voulu. Une seule manivelle actionne ensuite tout le mécanisme.
La deuxième solution est plus pratique et plus proche des machines historiques.
6. Construire le cadre
Le cadre maintient tous les axes et les engrenages en alignement parfait.
- Fabriquer deux plaques parallèles en bois dur ou en métal, espacées de 5 à 10 centimètres.
- Percer des trous alignés dans les deux plaques pour les axes. L’alignement doit être précis : utiliser un gabarit ou une perceuse à colonne.
- Les plaques sont maintenues par des entretoises en métal aux quatre coins.
- Le cadre doit être rigide. Toute flexion dérègle les engrenages.
7. Assembler et ajuster
- Enfiler les engrenages sur les axes dans l’ordre.
- Insérer les axes dans les trous du cadre.
- Installer les cliquets de retenue et leurs ressorts.
- Tourner la manivelle et observer chaque colonne. Les engrenages doivent tourner librement.
- Si un engrenage bloque ou saute des dents, ajuster l’espacement ou la forme des dents.
- Vérifier les calculs : entrer un nombre simple (par exemple 123), tourner la manivelle, vérifier que le résultat affiché est correct.
8. Ajouter la soustraction (optionnel)
Pour soustraire, il faut pouvoir tourner les engrenages en sens inverse.
- Ajouter un mécanisme de changement de direction : un levier qui inverse le sens de rotation de la manivelle.
- Ou utiliser le complément à 9 : pour soustraire un nombre, additionner son complément à 9 puis ajouter 1. Par exemple, pour soustraire 23 de 100, calculer 100 - 23 = 100 + (99 - 23) + 1 = 100 + 76 + 1 = 77.
9. Ajouter la multiplication et la division (avancé)
La multiplication est une addition répétée. La division est une soustraction répétée.
- Un mécanisme de compteur peut automatiser les additions répétées.
- Un tambour à cames (barillet) peut programmer une séquence d’opérations.
Variations par climat
- En climat froid : les huiles et graisses s’épaississent et peuvent bloquer les mécanismes. Utiliser des lubrifiants pour basse température. Les métaux se contractent légèrement : les tolérances doivent tenir compte de cela.
- En climat chaud et humide : le bois gonfle avec l’humidité. Construire le cadre en métal plutôt qu’en bois, ou utiliser du bois très sec et verni. La corrosion attaque les engrenages : les peindre ou les huiler régulièrement.
- En climat désertique : le sable pénètre dans les mécanismes. Protéger la machine dans un boîtier fermé avec des joints.
Pièges et erreurs courantes
- Engrenages mal taillés : si les dents ne sont pas régulières, la machine bloque ou donne des résultats faux. Prendre le temps de tailler chaque dent avec précision.
- Retenue qui ne se propage pas : si le cliquet de retenue est trop faible ou mal ajusté, la retenue se perd. 999 + 1 donne 900 au lieu de 1000. Tester tous les cas de retenue en chaîne.
- Frottements excessifs : une machine à 6 colonnes et des dizaines d’engrenages doit tourner librement. Chaque point de friction s’ajoute. Lubrifier et ajuster.
- Cadre pas assez rigide : si le cadre se tord, les axes se désalignent et les engrenages ne s’engrènent plus. Renforcer le cadre.
- Confusion entrée/sortie : bien distinguer les engrenages d’entrée (ceux qu’on règle) et les engrenages de résultat (ceux qui affichent le total). Ils peuvent être les mêmes sur une additionneuse simple.
Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer
Notes
- La première machine à calculer mécanique connue est la machine de Pascal, construite en 1642. Elle pouvait additionner et soustraire des nombres à 8 chiffres.
- Charles Babbage a conçu l’Analytical Engine vers 1837, un ordinateur mécanique complet avec mémoire, unité de calcul et programmation par cartes perforées. Il n’a jamais été terminé, mais les plans étaient corrects.
- La machine de Babbage aurait contenu environ 25 000 pièces et aurait pesé 15 tonnes.
- Un ordinateur mécanique est lent : une addition prend le temps d’un tour de manivelle (environ 1 seconde). Un ordinateur électronique fait des milliards d’opérations par seconde.
- Malgré sa lenteur, un ordinateur mécanique ne trompe pas. Les erreurs de calcul humain sont éliminées.
- La production de papier et la conservation des résultats sur papier restent essentielles même avec un ordinateur mécanique.
Ressources externes
- FreeCAD : https://www.freecad.org/ — Conception open source des pièces mécaniques (engrenages, cadrans, cadres).
- OpenSCAD : https://openscad.org/ — Modélisation paramétrique par code pour les pièces d’engrenage.
- GNU Octave : https://octave.org/ — Calculs de ratios d’engrenage et de tolérances mécaniques.
- PhET Simulations : https://phet.colorado.edu/ — Simulations interactives de mécanique (disponible via Kiwix).
- RepRap : https://reprap.org/ — Imprimante 3D auto-réplicable pour fabriquer des prototypes d’engrenages.
- Voir aussi : Ressources et Outils — Section Plans et blueprints